高速移動場景下FemtoCell覆蓋解決方案

移動性管理

高速鐵路等高速移動場景與普通場景相比，由于移動速度非常高，在沿途每個小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)停留的時間都非常短。而高速移動環(huán)境下，由于鏈路質(zhì)量的惡化，終端用戶的小區(qū)駐留、接入、重選和切換等通信過程需要測量和信令交互的時間會更長，而采用常規(guī)的宏蜂窩小區(qū)覆蓋主要考慮的是中低速場景，時延較大的重選、切換和接入等流程很可能無法在單個基站站點覆蓋范圍內(nèi)全部完成;同時頻繁的切換還會導致用戶體驗變差，切換掉話的可能性變大。

網(wǎng)絡容量受限

參考2.2節(jié)的分析，大量高速移動場景下的終端用戶業(yè)務容量需求較高，在現(xiàn)有TD-SCDMA可用的頻譜資源條件下，使用TD-SCDMA宏蜂窩小區(qū)覆蓋的方式，難以滿足高速移動場景下終端用戶的業(yè)務需求。

另外，當高速列車運行到小區(qū)或位置區(qū)邊緣時，會產(chǎn)生大量的切換或位置區(qū)更新信令，會導致短時間內(nèi)系統(tǒng)負荷過載。

高速移動場景現(xiàn)有覆蓋解決方案

多小區(qū)合并組網(wǎng)方案

多小區(qū)合并的組網(wǎng)方式，通過擴大單小區(qū)覆蓋面積，增大重選/切換帶，解決高速環(huán)境下的連續(xù)性覆蓋問題，從而解決終端在高速移動環(huán)境中的駐留、接入、呼叫等問題，提升終端小區(qū)重選、小區(qū)切換成功率，降低終端掉話率。

普通小區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 普通小區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖(單站址單扇區(qū))

普通小區(qū)結(jié)構(gòu)即單扇區(qū)覆蓋一個小區(qū)，單個小區(qū)覆蓋范圍有限。其中BBU為基站基帶單元，RRU為基站射頻單元。

經(jīng)過多小區(qū)合并，小區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 多站址多扇區(qū)合并示意圖

采用多小區(qū)合并之后，原來多個小區(qū)之間的切換區(qū)域變成了同一個小區(qū)內(nèi)的接力點，減少了切換，無需再預留信號重疊區(qū)域，從而擴大了單站覆蓋距離。成倍降低終端用戶在高速環(huán)境下的切換、重選次數(shù)，提升用戶感知。

可以看出，多小區(qū)合并組網(wǎng)方案，主要解決了移動性管理的問題。

高速無線直放站方案

在多小區(qū)合并組網(wǎng)方案基礎上，引入高速無線直放站，通過安裝在車廂外部的施主天線接收軌道沿線的TD-SCDMA宏蜂窩小區(qū)信號，并將放大后的信號通過泄漏電纜傳遞到乘客車廂，覆蓋車廂內(nèi)用戶。

高速無線直放站的引入，在一定程度上解決了穿透損耗的問題。

現(xiàn)有方案存在的問題

從上述現(xiàn)有方案描述和分析看，現(xiàn)有的高速移動場景覆蓋解決方案解決了移動性管理、穿透損耗、多普勒頻偏的部分問題，一定程度上保證了終端用戶基本業(yè)務(如語音、低速數(shù)據(jù))的需求，但仍然存在一些明顯的問題，見下表：

基于上述分析，目前的方案不能解決高速場景下網(wǎng)絡容量受限的問題。為了更好地解決這一問題，本文將在下面章節(jié)中介紹一種基于FemtoCell的高速場景下覆蓋解決方案。

FemtoCell覆蓋解決方案

FemtoCell(家庭基站小區(qū))技術是目前眾多通信設備商和主流運營商關注的重點。它的應用場景主要定位為家庭或者中小企業(yè)，一個FemtoCell單元類似于一個WLAN的無線接入點，通過普通的以太網(wǎng)口或其他有線連接接入到移動運營商的核心網(wǎng)絡，以實現(xiàn)電信級運營和網(wǎng)絡覆蓋[1]。

本文將FemtoCell技術應用到高速移動場景，該方案采用LTE網(wǎng)絡作為無線寬帶回傳網(wǎng)絡(稱為Backhaul)，在每個列車上部署FemtoCell(標準研究中通常稱為HNB，Home Node B家庭基站)和FemtoGW(標準研究中通常稱為HNB GW，HNB GateWay家庭基站網(wǎng)關)，通過LTE回傳網(wǎng)絡將這些FemtoCell接入到核心網(wǎng)絡。LTE回傳設備在宏蜂窩網(wǎng)絡中相當于一個高速移動的終端。

網(wǎng)絡架構(gòu)介紹

在介紹高速場景下FemtoCell覆蓋解決方案之前，先對標準中的FemtoCell系統(tǒng)架構(gòu)做簡要介紹[2]，其網(wǎng)絡架構(gòu)如下圖所示：

圖4 Home Node B網(wǎng)絡架構(gòu)圖

可以看出，在FemtoCell系統(tǒng)中引入的網(wǎng)元有HNB、HNB GW、SeGW(Security GateWay)、HMS(HNB Management System)。

其中，HNB集成了Node B和RNC的主要功能。HNB GW主要是為HNB和CN之間的連接提供匯聚/分發(fā)功能以及負責對HNB的注冊管理等。SeGW安全網(wǎng)關提供HNB到HMS和HNB GW的安全接入、HNB鑒權等功能。HMS主要功能是為HNB提供管理和參數(shù)配置。

本文將要介紹的車載FemtoCell系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖5 和圖6 所示：

圖6所示的FemtoCell系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)在參考LTE-Advanced Relay的網(wǎng)絡架構(gòu)[3]設計的基礎上，針對高速移動場景覆蓋特點，進行針對性調(diào)整和擴展，具體見下面網(wǎng)元介紹。

需要特別說明的是：這里的TrainGW安裝于車廂上，完成HNB數(shù)據(jù)的匯聚/分發(fā)、HNB注冊管理等功能。部署在車廂上的主要原因有：

1)考慮到單個HNB覆蓋范圍有限、業(yè)務容量有限，一般列車都會放置多個HNB。若將HNB GW作為地面固定設備部署，車廂上同樣需要一個替代設備對HNB數(shù)據(jù)進行匯聚/分發(fā)，邏輯功能重復。

2) 車內(nèi)HNB隨著列車運動而位置不斷變化，如果HNB GW在地面固定部署，則HNB GW需要跟蹤HNB的移動信息，不僅實現(xiàn)復雜，還會增加業(yè)務時延等。

因此將HNB GW部署于車內(nèi)較為合適。